鹤岗地区太阳能资源状况分析

2014-09-02王志霞王力艳

黑龙江气象 2014年1期

王志霞,赵燃,王力艳

(1．黑龙江省气象信息中心，黑龙江哈尔滨150030；2.鹤岗市气象局，黑龙江鹤岗 154100;3.绥化市气象局，黑龙江绥化152000)

1 引言

近年来, 随着我国经济的快速发展, 能源短缺问题日益严重，能源生产中所产生的大气污染问题也非常突出。为促进我国经济社会的可持续发展,合理开发利用清洁、可再生能源是缓解能源短缺和环境污染问题的有效途径。太阳能作为永久性能源,具有无污染、清洁可再生、自然界普遍存在、无须运输等优点,被国际公认为未来最有竞争力的能源之一[1]。分析评估太阳能资源状况, 是开发利用太阳能的基础。由于我国的太阳能总辐射观测站较少,科研人员大多利用气候学计算方法对无资料地区太阳总辐射进行计算和分布特征分析[2],但与直接使用观测资料相比,该法误差较大,计算结果不准确。鹤岗地区宝泉岭中心气象台自2008年开始进行太阳总辐射观测,有5 a较连续的观测资料。故利用总辐射和日照时数等观测资料对宝泉岭的太阳能资源进行分析评估,以了解鹤岗太阳能资源状况,为合理开发利用鹤岗太阳能资源提供依据。

2 资料来源及缺测资料处理

本文采用的气象资料为鹤岗气象站2005-2012年的日照和气温资料,宝泉岭中心气象台2005-2012年的辐射、日照和气温资料。对2010年8-9月部分缺测辐射资料，考虑到在相邻几天内，大阳高度角，日出日落时间大体相同，对辐射影响较小的情况。采用相似订正法对缺测当日总辐射进行插补，即在相邻几天内查找日照、云量、气温相似的情况对当日辐射进行插补。

3 鹤岗市的地理和气候特征

鹤岗市位于黑龙江省东北部，地处小兴安岭东麓低山丘陵与松花江下游平原交界处，与俄罗斯隔黑龙江相望，地势由西北至东南逐渐平缓，属于小兴安岭到三江平原的过渡地带，地形地貌复杂多样,以山地丘陵为主，最高海拔1 022 m，最低海拔75 m。鹤岗处于典型的温带大陆性季风区，冬季盛行偏北季风，夏季盛行偏南季风，年平均气温为3.6 ℃，平均降水量约为640 mm。

4 鹤岗地区太阳能资源分布情况

根据2008-2012年宝泉岭气象站资料统计（图1）,鹤岗市太阳辐射最多年份为2009年5 188.63 MJ/m2,最小年份为2011年4 245.9 MJ/m2,辐射最多最少年份相差942.73 MJ/m2，5 a年平均值为4581.2 MJ/m2。近3 a 一直稳定维持在4 260 MJ/m2，年波动不超过30 MJ/m2。属太阳能资源丰富地区（表1），个别年份能达到资源很丰富等级。将鹤岗地区与太阳能利用较发达的欧洲国家的总辐射资源做了对比。德国是太阳能利用最发达的国家之一，德国南部地区纬度与鹤岗地区相同，且是该国太阳总辐射资源最丰富的地区，总辐射最多年份为4 500 MJ/m2，最少年份为3 240 MJ/m[3],仅达到我国的较丰富带的标准,鹤岗地区年度总辐射基本与德国相当。在欧洲国家中西班牙和葡萄牙的太阳能资源最丰富,年度总辐射均>5 040 MJ/m2,相当于黑龙江省南部水平。黑龙江省虽然处于我国东北部,传统上认为的黑龙江省北部太阳能资源利用不大，但鹤岗地区的太阳能资源与欧洲太阳能利用大国相比,资源量并不逊色,未来在这些地区开发利用太阳能也将有很大潜力。

图1 2008-2012年宝泉岭中心气象站年总辐射和日照时数统计图

表1 太阳能资源丰富程度等级表

宝泉岭站日照时最多年为2008年2 265.2 h，最少年为2010年2 125.0 h，平均2 194.5 h。鹤岗气象站日照时最多年为2011年2 426.3 h，最少年为2008年2 124.1 h，平均2 293.3 h。整体来说鹤岗地区太阳日照时数稳定，近5 a 来年度相差不大。年日照时数与年太阳总辐射不一定存在正相关关系。

图2 鹤岗地区2008-2012年月累计总辐射分布图

图2 表明,鹤岗地区总辐射月分布情况为5月份出现峰值,平均为570.20 MJ/m2。但辐射总量仅比6、7、8月份略多，月平均相差约25 MJ/m2，仅是一个睛好天气下的日辐射量。到9月份开始太阳辐射量就明显减弱，9-12月呈阶梯状下降，到12月达年内最小值，平均为131.34 MJ/m2，仅相当于5月份辐射总量的1/5。从1-4月开始月辐射总量又开始阶梯状上升。图上表现为年内12月以每4 个月为一阶段，前4个月上升，中间4 个月稳定，后4 上月下降。

5 鹤岗地区太阳能资源的稳定度评估

在太阳能开发中,资源的稳定度是一个需要考虑的重要因素, 它与太阳辐射的年变化幅度密切相关，为说明各地区太阳直接辐射资源的稳定度,定义了一个稳定度指数:

I=Dmin/Dmax

其中,Dmin 和Dmax 分别表示全年总辐射最弱和最强月份的辐射通量，显然，I 越大表示总辐射的年变化越小。我国大部分地区的稳定度指数都大于0.3，鹤岗地区2008-2012年的稳定度指数平均值为0.23, 这与鹤岗地区地处我国东北部高纬度地区，年内太阳高度角变化幅度比较大有很大关系。鹤岗地区太阳辐射不如其他地区稳定，在进行本地太阳能大规模开发利用时必须进行充分考虑。

图3 鹤岗地区2011年5月太阳辐射各时次统计图

图3 为鹤岗地区2011年5月太阳辐射各时次累加曲线，可以看出11-13时是太阳辐射最强时次，在两侧则为正态分布。

图4 为鹤岗地区太阳辐射日分布情况，2008年10月15日为晴空天气，高、低云量均为0，能见度>10 km；17日为霾天气，上午08时观测高云量为10，其间无云，能见度6 km；18日为多云（小雨）天气，能见度为10 km；19日，08时有雾的记录，能见度08时只有0.3 km，02时能见度>10 km；20日，为烟幕天气，能见度基本在7 km，02时能见度>10 km。 15-20日鹤岗地区天气现象复杂多变，连续几天太阳高度角变化影响微小，可以忽略不计。为开展不同天气下太阳辐射评估提供了客观条件。分别对晴空、霾、阴（小、阵雨）、雾、烟幕5 种天气条件下太阳辐射的影响进行对比分析。从图上可以看到：辐射通量日变化比较明显，阴天（小雨）对太阳辐射影响最大，辐射通量为晴天下的38%，对日照影响更大，日照时数只达到晴天的12%，这与全天低云量达9.3 成有很大关系。雾、霾天气的辐射通量对应晴天辐射通量数值差别比较明显，雾、霾污染天气的日辐射通量是晴天的52%和60%，日照是晴天的30%和51%，这与雾霾天气主要分布在近地层有关，在雾霾天气下大气污染物不易扩散，能见度也比较低。烟幕天的太阳辐射是晴天的81%，日照是晴天的76%,与前几种天气相比烟幕对太阳辐射影响是最小的，这与本地烟幕天气主要出现在早晨有关，日出之后，随着太阳辐射对大气的增温，大气湍流运动增强，风力增大，烟幕天气在上午基本上就能消散。